développement spatial de grande tourbière de villeroy

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ÉCOHYDROLOGIE DE LA GRANDE TOURBIERE

DE VILLEROY

Rapport d’activités

Marie Larocque (UQAM)

Julien Colpron-Tremblay (Université Laval, CEN)

Martin Lavoie (Université Laval, CEN)

Lysandre Tremblay (UQAM)

Août 2013

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TABLE DES MATIÈRES

1 INTRODUCTION ........................................................................................................................... 5

2 METHODOLOGIE ........................................................................................................................ 6

2.1 Relevés pour l’établissement d’un modèle 3D ............................................................................................................. 6

2.2 Hydrologie ....................................................................................................................................................................... 8 2.2.1 Instrumentation ....................................................................................................................................................... 8 2.2.2 Carte piézométrique .............................................................................................................................................. 10 2.2.3 Bilan hydrique ...................................................................................................................................................... 10

2.3 Paléoécologie ................................................................................................................................................................. 12 2.3.1 Échantillonnage des carottes de tourbe ................................................................................................................. 12 2.3.2 Analyses paléoécologiques ................................................................................................................................... 13

3 RESULTATS ET DISCUSSION ................................................................................................. 16

3.1 Modèle 3D de la tourbière ........................................................................................................................................... 16 3.1.1 Topographie .......................................................................................................................................................... 16 3.1.2 Épaisseur des dépôts organiques ........................................................................................................................... 17 3.1.3 Topographie du substrat minéral .......................................................................................................................... 18 3.1.4 Carte piézométrique .............................................................................................................................................. 23

3.2 Bilan hydrique de la tourbière .................................................................................................................................... 24

3.3 Dates basales de la matière organique ........................................................................................................................ 29

3.4 Analyses macrofossiles des carottes basales ............................................................................................................... 33

3.5 Modèle d'évolution spatiale de la tourbière dans le temps ....................................................................................... 38

4 CONCLUSION.............................................................................................................................. 42

5 RÉFÉRENCES .............................................................................................................................. 43

ANNEXE 1 - CALCUL DES ÉCHANGES AQUIFÈRE-TOURBIÈRE ......................................... 46

ANNEXE 2 – DIAGRAMMES MACROFOSSILES DES BASES DE TOURBE ......................... 50

2

LISTE DES FIGURES

Figure 1. Localisation de toutes les stations d’échantillonnage ................................................................ 8 Figure 2. Carottier russe employé pour l'extraction des sédiments. La chambre d'échantillonage est

d'une longueur de 50 cm. La base du carottier (pointe blanche) est à gauche. ....................................... 12 Figure 3. Topographie de surface de la tourbière ................................................................................... 16 Figure 4. Limites des bassins versants alimentés par la Grande tourbière de Villeroy .......................... 17 Figure 5. Épaisseur estimée en mètres du dépôt organique .................................................................... 18 Figure 6. Modèle en trois dimensions de la topographie sous-jacente à la tourbière ............................. 19

Figure 7. Localisation des coupes topographiques illustrées aux figures 8 à 13. ................................... 20 Figure 8. Coupe longitudinale (A) de la tourbière .................................................................................. 20 Figure 9. Coupe B ................................................................................................................................... 21

Figure 10. Coupe C ................................................................................................................................. 21 Figure 11. Coupe D ................................................................................................................................. 21 Figure 12. Coupe E ................................................................................................................................. 22

Figure 13. Coupe F.................................................................................................................................. 22 Figure 14. Coupe G ................................................................................................................................. 22 Figure 15 : Carte piézométrique de la Grande tourbière de Villeroy...................................................... 23

Figure 16 : Précipitation, évapotranspiration et température d'avril à novembre 2012 .......................... 24 Figure 17 : Débits mesurés aux sept exutoires ........................................................................................ 25

Figure 18 : Variation de niveau moyenne aux piézomètres dans la tourbe ............................................ 26 Figure 19 : Bilan hydrique de la Grande tourbière de Villeroy entre juin et novembre 2012 ................ 28 Figure 20. Distribution temporelle des dates basales (en considérant l'amorce de l'accumulation à Vbase

20 à 1430 ans A.A.). ............................................................................................................................... 32

Figure 21. Modèle spatio-temporel du développement de la tourbière par traçage de polygones

........................................................................................................................ Erreur ! Signet non défini. Figure 22. Modèle spatio-temporel du développement de la tourbière par régression (relation âge-

profondeur).............................................................................................................................................. 40 Figure 23: Schéma pour le calcul des flux souterrains (tirée de Rosenberry et al., 2008)...................... 47

Figure 24: Traçage des segments pour le calcul des flux souterrains ..................................................... 48 Figure 25. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase1 .......................... 50 Figure 26. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase2 .......................... 50

Figure 27. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase3 .......................... 51 Figure 28. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase4 .......................... 51

Figure 29. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase5 .......................... 52 Figure 30. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase6 .......................... 52

Figure 31. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase7 .......................... 52 Figure 32. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase8 .......................... 53 Figure 33. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase9 .......................... 53 Figure 34. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase10 ........................ 54 Figure 35. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase11 ........................ 54

Figure 36. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase12 ........................ 55 Figure 37. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase13 ........................ 55 Figure 38. Diagramme macrofossile de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase14 .......................... 55 Figure 39. Diagramme macrofossile de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase15 .......................... 56 Figure 40. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase16 ........................ 56 Figure 41. Diagramme macrofossile de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase17 .......................... 57

3

Figure 42. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase18 ........................ 57 Figure 43. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase19 ........................ 58

Figure 44. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase20 ........................ 58 Figure 45. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase21 ........................ 59 Figure 47. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vmono .......................... 60

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LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1. Stratigraphie des piézomètres mis en place dans la tourbière et dans le minéral ................... 9 Tableau 2: Sommaire des flux souterrains pour chacun des segments de la tourbière ........................... 27 Tableau 3. Datations radiochronologiques des carottes sédimentaires ................................................... 31

Tableau 4. Estimation de l’entourbement initial de la tourbière (superficies et pourcentages) par période

temporelle (excluant la superficie non estimée). .................................................................................... 38 Tableau 5. Développement de la tourbière (pourcentages) par période temporelle obtenu par régression

(relation âge-profondeur) ........................................................................................................................ 41

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INTRODUCTION

La Grande tourbière de Villeroy occupe un vaste territoire au sud de l'autoroute 20, à la limite des

régions Centre-du-Québec et Chaudière-Appalaches. Cette tourbière a fait l'objet de plusieurs

initiatives pour mieux comprendre différents aspects de son fonctionnement, notamment le contexte

géologique local et régional (Larocque et al., 2013), la paléoécologie (Lavoie et Colpron-Tremblay,

2013), la dynamique récente de la tourbière (Payette et al., 2013) et les échanges aquifère-tourbière

locaux (Ferlatte, 2013).

Il est maintenant connu que les dépôts organiques ont commencé à s'accumuler à la faveur de

dépressions humides situées entre des dunes paraboliques (Filion, 1987), contribuant ainsi à stabiliser

les dunes. L'humidité de ces dépressions était probablement maintenue par la présence d'un till compact

à la base du sable d'origine éolienne (Larocque et al., 2013). Ce till a probablement contribué à la mise

en place de nombreuses tourbières dans la région. Le développement spatial de la Grande tourbière de

Villeroy au cours du temps est toutefois encore méconnu. La perméabilité importante du sable des

dunes favorise sans doute les échanges aquifère-tourbière (Avard, 2013; Ferlatte, 2013), mais ceux-ci

n'avaient pas jusqu'ici été quantifiés pour l'ensemble de la tourbière avec des charges mesurées. Le

présent projet visait à combler en partie les lacunes dans ces connaissances, dans le but d'apporter des

informations nouvelles qui seront utiles à la gestion de la future réserve écologique de la Grande-

Tourbière-de-Villeroy. Les objectifs spécifiques du projet étaient 1) de définir la géométrie actuelle de

la tourbière, 2) d'estimer son bilan hydrique et 3) d'étudier l'évolution du développement spatial des

dépôts tourbeux.

Le projet a été réalisé par une équipe formée de Marie Larocque, hydrogéologue et professeure au

département des sciences de la Terre et de l'atmosphère à l'UQAM, de Martin Lavoie, géographe et

professeur au département de Géographie de l'Université Laval et de Julien Colpron-Tremblay, étudiant

au doctorat en géographie de l'Université Laval (sous la direction de Martin Lavoie et Louise Filion).

Lysandre Tremblay (agent de recherche à l'UQAM), Nicolas Bourgeois (stagiaire 1er cycle de

l'Université de Montpellier) et Marie-Hélène Graveline (agente de recherche à l'UQAM) ont également

été impliqués dans le projet.

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1 METHODOLOGIE

1.1 Relevés pour l’établissement d’un modèle 3D

Topographie de la surface de la tourbière et épaisseurs de la matière organique

Une première campagne de terrain a eu lieu au courant de l’automne 2011. À l'aide d'une station totale

Leica T1010 d’une précision de ±1 mm, le dénivelé de surface de la tourbière a été mesuré en 558

points distribués à 25 m d'équidistance le long de divers profils. En raison de l'importante superficie de

la tourbière et de la présence de nombreux arbres et arbustes (ces derniers bloquant le signal laser),

l'utilisation de la station totale ne fut pas possible pour l'ensemble de la tourbière. Ainsi, au printemps

2012, l’altitude de la surface a été relevée en des points aléatoires à l'aide d'un GPS différentiel dans les

secteurs non couvert par la station totale. Les données d'autres projets réalisés récemment sur la Grande

tourbière de Villeroy ont également été utilisées (Avard, 2013; Ferlatte, 2013). Au total, 970 points ont

été géolocalisés (Figure 1). Pour chacun d’eux, l’épaisseur du dépôt de matière organique a été mesurée

jusqu’au substrat minéral sous-jacent à l’aide d’une tige. La densité du réseau de points est très élevée

dans les secteurs nord et nord-ouest (au sud de la petite ligne) de la tourbière où les mesures furent

prises le long de profils à l’aide de la station totale. Les points de mesure sont moins denses dans les

autres secteurs où le travail a été fait à l’aide du GPS différentiel en des points répartis aléatoirement.

Le modèle de surface a été construit à l'aide du Modèle numérique de surface (MNS) de l'Agence de

Géomatique du Centre-du-Québec (précision verticale <1 m, mailles de 1 m × 1 m). Il s'agit d'un

modèle qui représente l'élévation au-dessus de la végétation. Un traitement a donc été nécessaire afin

de minimiser l'impact des pixels ayant comme valeur l'altitude d'un arbre ou d'un arbuste. Pour ce faire,

l'image a été transformée en un fichier de points vectoriels. Un premier classement a été fait afin

d'enlever les points ayant les valeurs les plus élevées. Dans un deuxième temps, en relation avec des

orthophotos infrarouges, les points résiduels représentant des arbres et des arbustes ont été enlevés.

Enfin, une interpolation (IDW) a été effectuée à partir des points conservés afin de créer une image

matricielle représentant l'altitude de la surface de la tourbière. Le modèle a aussi été validé grâce au

dénivelé de surface obtenu à l'aide de la station totale. Des données topographiques du Modèle

numérique d'élévation (MNE) des cartes topographiques au 1:20 000 disponibles à l'UQAM (précision

verticale de 5 m, mailles de 10 m × 10 m) ont également été utilisées.

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La Grande tourbière de Villeroy contribue à l'alimentation de trois cours d'eau, soit la rivière du Chêne,

la rivière Petite du Chêne et la rivière Bécancour. La délimitation de ces bassins versants dans le

secteur de la tourbière est toutefois imprécise. Les limites de bassins versants ont donc été corrigées de

manière à ce qu'elles correspondent aux hauts topographiques connus à partir des données du MNS

corrigées pour les arbres, et aux réseaux de drainage identifiés.

L’épaisseur de la matière organique mesurée pour les 970 points a été utilisée afin de créer une couche

matricielle représentant l'épaisseur de la matière organique. De plus, une série de points représentant le

contour de la tourbière dont la valeur d’altitude est de 0 cm a été ajoutée afin de créer un effet de

bassin. L'algorithme nn (Fan et al., 2005) a été utilisé pour interpoler les points de profondeurs. Un

modèle d’altitude du substrat minéral (contact organo-minéral) a ensuite été créée en soustrayant

l'épaisseur de tourbe interpolée du modèle de surface. La cartographie ainsi que les traitements

géospatiaux (e.g. interpolation) ont été réalisés à l’aide des logiciels GRASS GIS et QGIS.

Des tests ont été réalisés au moyen d'un appareil géoradar dans le but de définir l'épaisseur des

matériaux meubles sous la tourbe. Ces tests n'ont pas permis d'identifier de manière continue la

stratigraphie du substratum et les essais furent interrompus. Des forages à la foreuse manuelle pionjar

ont été réalisés à cinq stations, dans le but d'identifier l'épaisseur des dépôts sous-jacents à la tourbe.

Des informations sur la nature du minéral recueillies au moment des sondages d'épaisseur de tourbe

sont également disponibles à plusieurs stations. Les données du Système d'informations

hydrogéologiques (MDDEFP, 2012), de même que la stratigraphie des deux forages réalisés à

proximité de la tourbière (Larocque et al., 2013) ont été utilisées pour contraindre la position du till et

l'épaisseur des dépôts sableux. L'interface sable-till a été interpolée dans ArcGIS.

La superficie totale de la tourbière a été délimitée grâce aux orthophotos et à des observations sur le

terrain. En raison du manque de précision des données de surface résultant d'un couvert arborescent

trop dense et d'un manque de données concernant les épaisseurs de matière organique dans certaines

zones en périphérie de la tourbière, celles-ci non pas été incluses dans le modèle. L'interpolation de la

profondeur et/ou de la surface dans ces zones était trop incertaine, il a été jugé préférable de ne pas les

inclure. La superficie totale de la tourbière est de 10,37 km2.

8

Figure 1. Localisation de toutes les stations d’échantillonnage

1.2 Hydrologie

1.2.1 Instrumentation

La tourbière a été instrumentée au printemps 2012 de 16 piézomètres de 2,54 cm (1'') installés en cinq

groupes de trois ou quatre piézomètres en périphérie de la tourbière (Figure 1). Dans chaque groupe, le

premier piézomètre a été installé dans l’aquifère à l’extérieur de la tourbière, à moins de 10 m de la

limite de la tourbière en utilisant la foreuse pionjar de l'UQAM (nommé par exemple 1.1). À

l'exception de la station 2 où quatre piézomètres ont été installés, un couple de piézomètres a été mis en

place dans la tourbière à moins de 50 m du premier piézomètre, le premier dans le minéral sous-jacent

aux dépôts organiques et le deuxième dans la tourbe. Les données stratigraphiques montrent que le

sable sous-jacent peut avoir une épaisseur de 0,2 à 2,3 m au-dessus du till (Tableau 1). Il est probable

que cette épaisseur soit très variable au sein même de la tourbière.

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Tableau 1. Stratigraphie des piézomètres mis en place dans la tourbière et dans le minéral

Piézomètre x y z (m) Stratigraphie (m)

1.1 -71,816127 46,381907 129,4 Sol: 0-0,3 m

Sable moyen: 0,3-2,6 m

Till: 2,6-3,7 m

Sable: 3,7-4,8 m

1.2 -71,815175 46,381652 128,2 Dépôts organiques: 0,0-0,9 m

Sable: 0,9-2,2 m


2.1 -71,816422 46,396634 124,8 Sol: 0,0-0,7 m

Sable: 0,7-1,2 m

Till: 1,2-2,9 m

2.2 -71,816294 46,396497 126,7 Sable moyen: 0-3,0 m

Till: 3,0-4,0 m


Sable: 1,6-1,9 m


3.1 -71,792724 46,39408 127,4 Sol : 0,0-0,3 m


Sable fin: 1,0-1,5 m

Till: 1,5-2,1 m

3.2 -71,792831 46,394087 126,8 Dépôts organiques: 0-0,8 m



4.1 -71,800037 46,37798 128,3 Sol: 0-0,4 m


Till: 2,1-2,7 m

4.2 -71,800581 46,378037 127,5 Dépôts organiques 0-0,7 m



5.1 -71,845493 46,366331 128,3 Sol: 0,0-0,5 m


Till: 2,2-2,7 m


Sable grossier: 0,4-0,6 m

Till: 0,6-1,7 m


Les niveaux d’eau ont été mesurés dans tous les nouveaux piézomètres à sept reprises entre juin et

novembre 2012. À ces données, s'ajoutent celles recueillies dans le cadre d'un autre projet (financement

FRQNT-Partenariats actions concertées sur les eaux souterraines; Ferlatte, 2013) où un suivi mensuel

des niveaux d’eau a été réalisé de mai à novembre 2011. De plus, 24 élévations de niveaux d’eau ont

été mesurées en juin 2012 dans des fossés, des ruisseaux et des étangs situés à proximité de la

tourbière.

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1.2.2 Carte piézométrique

La carte piézométrique de la tourbière a été construite à l’aide de tous les niveaux piézométriques

disponibles pour les mois de juin 2011 et 2012. Cette carte est donc représentative de la piézométrie du

début de l'été seulement, mais donne néanmoins une idée générale du sens des écoulements souterrains.

Des points de contrôle complémentaires (38) ont été utilisés à l'endroit des fossés et rivières dont les

élévations ont été déterminées à l'aide du MNS. Ces données permettent d'interpoler les niveaux au-

delà de la limite de la tourbière, dans l'aquifère superficiel environnant. La méthode d’interpolation par

co-krigeage a été utilisée, de manière à contraindre l’interpolation à la topographie. L’information

topographique d’élévation devient complémentaire aux données de niveaux d’eau dans les endroits où

il y a peu de mesures de niveau d'eau. Le co-krigeage a été effectué à l’aide de l’outil Geostatistical

analyst Wizard dans le logiciel ArcGIS. Les isopièzes interpolées ont ensuite été corrigées

manuellement de manière à respecter à la fois l'ensemble des données piézométriques disponibles et les

grandes directions d'écoulement identifiées par l'interpolation, tout en respectant les niveaux d'eau

disponibles.

1.2.3 Bilan hydrique

Le bilan hydrique de la Grande tourbière de Villeroy a été calculé entre mai et novembre 2012. Le

bilan hydrique mensuel a été réalisé à l'aide de l’équation suivante, avec un pas de temps mensuel :

S = (P + ESE) - (ETP + QS + ESS) Équation (1)

où

ΔS = Variation de l’emmagasinement dans la tourbière (mm);

P = Précipitations (mm);

ESE = flux d'eau souterraine entrant dans la tourbière (mm);

ESS = flux d'eau souterraine sortant de la tourbière (mm);

ETP = Évapotranspiration potentielle (mm);

Q = Débits sortant de la tourbière via les exutoires (mm);

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La tourbière est drainée par sept ruisseaux et fossés principaux. À ces endroits (Figure 1), le débit a été

mesuré entre avril et novembre 2012. Les débits étant parfois très faibles, ils ont été mesurés à l'aide de

la méthode du flotteur, avec une bouteille de plastique de 500 ml remplie d'eau. Le temps requis pour

franchir une distance donnée, généralement de 1 à 5 m selon la configuration de l'exutoire, a été

chronométré trois fois et la moyenne des trois mesures divisées par la distance parcourue correspond à

la vitesse. À chaque station et lors de chaque prise de mesure de débit, la tranche d’eau moyenne et la

largeur de l’exutoire ont été mesurées. Le débit a été calculé en multipliant la section d'écoulement par

la vitesse. Aucun cours d'eau ne contribue à l'alimentation de la tourbière.

Les données de précipitations proviennent de la station de Lemieux située dans la MRC de Bécancour,

à 25 km à l’ouest de la tourbière (Environnement Canada, 2013). La méthode d'Oudin et al. (2005) a

été utilisée pour calculer l'évapotranspiration potentielle de la tourbière. Les températures moyennes

journalières requises pour les calculs proviennent également de la station Lemieux. Les flux souterrains

latéraux entrants et sortants de la tourbière ont été calculés à l’aide de la méthode de Rosenberry et al.

(2008) qui est basée sur la loi de Darcy (Annexe 1). Les échanges verticaux avec les dépôts minéraux

sous-jacents n’ont pas été pris en compte dans les calculs. Ces échanges peuvent exister localement,

mais en raison de l’épaisseur relativement faible et de la non-continuité spatiale des dépôts sableux

sous la tourbière (voir section 2.1.3), il est probable qu’ils ne soient pas importants à l’échelle de la

tourbière.

La variation de l'emmagasinement résultant du bilan hydrique indique s'il y a eu une augmentation ou

une diminution du stock d'eau dans la tourbière au cours d'un mois donné. Une variation positive

signifie qu'il y a un emmagasinement d'eau dans les dépôts organiques, tandis qu'une variation négative

signifie qu'il y a eu perte d'eau de la tourbière à l'environnement (via ETP, ESS ou QS). Cette variation

d'emmagasinement calculée par le bilan hydrique peut être comparée à celle mesurée à partir des

piézomètres en divisant le terme S par la porosité effective de la tourbe. Une valeur de porosité

effective de 40 % est utilisée ici, ce qui est représentatif des valeurs rapportées dans la littérature

(Levison et al., 2013; Rosa et Larocque, 2008).

12

1.3 Paléoécologie

1.3.1 Échantillonnage des carottes de tourbe

Afin d’établir un modèle du développement spatial de la tourbière au cours du temps depuis son

origine, nous avons procédé à l’échantillonnage de la base du dépôt organique en 22 points. Les points

d’échantillonnage ont été nommés Vbase 1 à Vbase 21 (carottes sédimentaires), en plus d’un point

nommé Vmono (monolithe). Dans la mesure du possible, le contact organo-minéral a été récolté, mais

ce ne fut toutefois pas toujours possible. En effet, en certains endroits, le caractère compact du matériel

minéral empêchait l’enfoncement de la pointe du carottier dans celui-ci (la pointe qui mesure 10 cm,

voir Figure 2, est responsable de ce refus à l’enfoncement). Puisque la pointe touchait quand même

chaque fois le minéral, dans ces cas spécifique il manque tout au plus 10 cm d’accumulation

sédimentaire pour obtenir la séquence organique complète. L’échantillonnage des carottes a été réalisé

à l’aide d’un carottier russe (Jowsey, 1966) doté d’une chambre de 50 cm de longueur (Figure 2). Seuls

les 50 cm à la base du dépôt furent récoltés. Des doublons ont aussi été échantillonnés afin de s’assurer

d’avoir suffisamment de matériel pour les analyses paléoécologiques et radiochronologiques. Le choix

des points d’échantillonnage a été déterminé en fonction des données d’épaisseurs de tourbe et afin

d’avoir un réseau représentatif de l’ensemble de la tourbière. Les carottes ont été emballées dans une

pellicule de papier cellophane et dans du papier d’aluminium et les profondeurs (cm) de chacun des

segments ont été soigneusement notées. Elles ont ensuite été placées en position horizontale dans des

gouttières pour leur transport au laboratoire où elles ont été entreposées au réfrigérateur à une

température de 4°C pour éviter le développement de moisissures et leur dessèchement.

Figure 2. Carottier russe employé pour l'extraction des sédiments. La chambre d'échantillonnage

est d'une longueur de 50 cm. La base du carottier (pointe blanche) est à gauche.

13

1.3.2 Analyses paléoécologiques

Les travaux en laboratoire ont été réalisés au Laboratoire de paléoécologie terrestre du Centre d’études

nordiques (CEN) de l’Université Laval. Les carottes ont d’abord été nettoyées (élimination d’une

couche de matière organique superficielle d’environ 1-2 mm d’épaisseur) afin d’éliminer les possibles

contaminations qui auraient pu survenir lors de l’échantillonnage. Elles ont ensuite été coupées en

tranches contiguës de 1 cm d’épaisseur. Chaque tranche fut placée dans un sac numéroté et entreposé

au réfrigérateur jusqu’au moment des analyses.

Analyses macrofossiles

Pour chacune des carottes, les analyses macrofossiles ont été réalisées sur des tranches de 1 cm

d’épaisseur à un intervalle régulier de 4 cm, à l’exception du point d’échantillonnage Vmono dont

l’intervalle fut de 2 cm. Au total, 287 échantillons ont été analysés pour l’ensemble des points

d’échantillonnage. Les échantillons ont été préparés selon la méthode de Bhiry et Filion (2001). Ils ont

été bouillis pendant quelques minutes dans une solution d’eau et d’hydroxyde de potassium 10 % afin

de désagréger la matière organique. Ils furent ensuite tamisés à travers une série de deux tamis

superposés de maille 425 et 180 μm. Les pièces macrofossiles (feuilles, graines, charbons de bois, etc.)

ont été dénombrées et identifiées à la loupe binoculaire à un grossissement de 40× à l’aide guides de

références (Montgomery, 1977; Lévesque et al., 1988) et de la collection de référence de pièces

macrofossiles (pièces fossiles et actuelles) du Laboratoire de paléoécologie terrestre de l'Université

Laval.

Pour chacun des échantillons, les analyses macrofossiles ont consisté :

à l’évaluation, en pourcentage de volume, des principales composantes de la matrice des sédiments

organiques (sphaignes, mousses brunes, fragments ligneux, herbacées, indéterminables) ;

à l’identification et au dénombrement des pièces macrofossiles provenant des plantes vasculaires

(arbres, arbustes, herbes) ;

à l’identification et au dénombrement ou à l’estimation de l’abondance des particules des charbons

de bois et de pièces macrofossiles autres que celles des plantes vasculaires (cladocères, bryozoaires,

sclérotes de champignon).

14

Pour chacun des points d’échantillonnage, les résultats des analyses macrofossiles sont présentés sur la

forme d’un diagramme macrofossile contenant les informations suivantes : la ou les datations

radiochronologiques (en années étalonnées A.A.), les profondeurs (cm), la composition de la matrice

de la tourbe (en pourcentage), les dénombrements des pièces macrofossiles, ainsi que le contenu en

matière minérale (en pourcentage). Les dénombrements ont été standardisés pour un volume de 5 cm3

(nombre de macrorestes par volume sédimentaire de 5 cm3

mesuré par déplacement d'eau). Cette

standardisation est nécessaire afin de pouvoir comparer les résultats des dénombrements d’un niveau à

l’autre au sein d’un même point d’échantillonnage. Les diagrammes ont été construits à l’aide du

logiciel Palaeo Data Plotter version 1.0 (Juggins, 2002). Les diagrammes macrofossiles des 22 bases

de tourbe sont présentés à l’Annexe 2.

Détermination du contenu en matière organique

Des analyses des contenus respectifs en matière organique et en matière minérale des carottes

sédimentaires ont été réalisées à l’aide de la méthode de la perte au feu afin, entre autres, d'identifier la

transition organo-minérale au sein des carottes. Les analyses ont été effectuées au Laboratoire de

pédologie forestière de la Faculté de Foresterie, de géographie et de géomatique de l’Université Laval.

Elles ont été réalisées à un intervalle stratigraphique de 4 cm aux profondeurs où du matériel minéral

était visible dans les tamis lors du tamisage en prévision des analyses macrofossiles. À cette fin, un

sous-échantillon de volume de 1 cm3 a été traité selon le protocole de Heiri et al. (2001). Les résultats

sont exprimés sous la forme de pourcentages.

Datations radiochronologiques

Des datations radiochronologiques (14

C) par spectrométrie de masse par accélérateur (SMA) ont été

réalisées pour chacune des bases de tourbe. Les datations ont porté sur des échantillons de volume

d’environ 1 cm3

et de poids sec de quelques milligrammes. Il n’a pas été possible de dater

spécifiquement des pièces macrofossiles au contact organo-minéral car elles n’étaient pas présentes en

quantité suffisante. D’autres datations ont aussi été effectuées en quelques points d’échantillonnage (en

raison de la présence de charbons de bois, de la composition stratigraphique, etc.) et celles-ci furent

réalisées sur des macrorestes terricoles. Les datations ont été effectuées au Laboratoire de

15

radiochronologie du CEN (préparation des échantillons) et au Keck Laboratory de l’Université de

Californie à Irvine (datation). Les âges obtenus du laboratoire en années conventionnelles (années 14

C)

ont été transformés en années étalonnées avant aujourd’hui (années A.A.) à l’aide du logiciel CALIB

6.0 (Stuiver et Reimer, 1993; Reimer et al., 2009) et arrondis à la décennie près. Pour la présente étude,

les dates basales des carottes sédimentaires VR-1, VR-2 et VR-3 de l’étude paléoécologique de Lavoie

et Colpron-Tremblay (2013) ont également été utilisées.

16

2 RESULTATS ET DISCUSSION

2.1 Modèle 3D de la tourbière

2.1.1 Topographie

Topographie de la surface de la tourbière

Les altitudes les plus élevées se trouvent dans la partie nord-ouest au sud de la Petite ligne qui

correspond notamment au secteur de l’actuel belvédère (Figure 3). On distingue nettement à cet endroit

un bombement typique des tourbières ombrotrophes. La portion sud-est de la tourbière présente aussi

une structure bombée. Le cortège floristique des secteurs ombrotrophes est notamment dominé par

l’arbuste Chamaedaphne calyculata, une éricacée typique des tourbières ombrotrophes. De façon

générale, l’altitude de la surface diminue de part et d’autre des bombements. D’autres secteurs

ombrotrophes de moins grande ampleur sont aussi présents. Les altitudes sont beaucoup moins élevées

dans la section centrale de part et d’autre de la petite ligne où prévalent des conditions minérotrophes

plus humides caractérisées par un couvert végétal herbacée. La différence d’altitude entre le secteur le

plus bombé (altitude : 131 m) et les endroits les moins élevés en bordure (altitude : 125 m) est de près

de 6 m. Il est possible que la Petite ligne ait eu un léger effet sur l’altitude (compaction de la tourbe),

mais des données paléoécologiques à cet endroit seraient nécessaires pour vérifier ce possible effet.

Figure 3. Topographie de surface de la tourbière

17

Limites des bassins versants

Les limites des bassins versants alimentés par la Grande tourbière de Villeroy séparent la superficie

totale de la tourbière en trois territoires (Figure 4). La plus grande partie de la tourbière est incluse dans

le bassin de la rivière du Chêne, avec 5,9 km2 représentant 57,2 % de la totalité de la tourbière. La

tourbière est en partie comprise dans les bassins versants de la Petite rivière du Chêne (36,3 % de sa

superficie) et dans une moindre mesure de la rivière Bécancour (6,5 % de sa superficie). L'écoulement

principal à l’intérieur de la tourbière est donc principalement dirigé vers l’est et le nord-est, soit vers le

bassin versant de la rivière du Chêne.

Figure 4. Limites des bassins versants alimentés par la Grande tourbière de Villeroy

2.1.2 Épaisseur des dépôts organiques

Pour l’ensemble de la tourbière, l’épaisseur moyenne de la matière organique est de 130 cm (Figure 5).

Les épaisseurs les plus importantes sont de l’ordre de 400 cm et plus, l’épaisseur maximale mesurée

18

étant de 488 cm. Les épaisseurs les plus importantes se trouvent essentiellement dans le secteur bombé,

de même que dans une petite zone du côté nord longeant la bordure de la tourbière près de la dune

forestière. Les secteurs caractérisés par des épaisseurs de tourbe supérieures à 400 cm représentent

2.1% (~20 ha) de l’actuelle superficie de la tourbière, tandis que les endroits caractérisés par des

épaisseurs variant de 300 à 400 cm couvrent 44 ha, c’est-à-dire 4,2 % de la superficie. Pour la majeure

partie de la tourbière, les épaisseurs sont généralement inférieures à 250 cm et sont de l’ordre de

100 cm ou moins en périphérie, notamment pour une vaste zone du côté nord (au nord de la petite

ligne) où la tourbe est très peu épaisse. Quelques portions non situées en périphérie présentent aussi des

épaisseurs inférieures à 100 cm en raison d’une altitude élevée de la topographie accidentée du substrat

minéral à ces endroits (voir plus bas). Il est à noter qu'aucune argile ni gyttja (sédiment lacustre) n'a été

observée sous la tourbe, même aux endroits ayant les plus grandes épaisseurs de matière organique qui

sont susceptibles d’être ceux les plus anciens de la tourbière.

Figure 5. Épaisseur estimée en mètres du dépôt organique

2.1.3 Topographie du substrat minéral

La topographie du substrat minéral sur lequel repose la tourbe a été obtenue à partir de la détermination

de la topographie de surface et des mesures d’épaisseur de la matière organique. Grâce au modèle en

trois dimensions de la topographie sous-jacente à la tourbière (Figure 6), il est possible de distinguer

19

nettement qu’une majeure portion du site repose au sein d’une importante dépression ayant la forme

d’un chenal orienté dans le sens de la longueur de la tourbière, du sud-ouest vers le nord-est. Cette

orientation est la même que celle des dunes. La dépression topographique est d’une profondeur de 4 à

5 m par rapport aux secteurs adjacents plus élevés et présente des bordures très abruptes. Une seconde

dépression de grande ampleur se trouve à l’extrémité de la tourbière du côté nord-est. Elle est isolée du

chenal principal par une crête, mais présente une profondeur similaire. La superficie minimale

représentée par les deux dépressions est de 107 ha, ce qui représente 10,5 % de la superficie de la

tourbière. Ces deux dépressions pourraient témoigner, à priori, de deux système tourbeux ayant évolué

séparément au départ pour ensuite coalescer. D’autres dépressions de taille plus modeste sont aussi

présentes.

Figure 6. Modèle en trois dimensions de la topographie sous-jacente à la tourbière

Une seconde caractéristique particulière de la topographie du substrat minéral consiste en la présence

de crêtes surélevées associées à un ancien système de dunes fossilisées (alternance de crêtes et

d’interdunes), comme le système de dunes stabilisé par la végétation forestière en périphérie de la

tourbière et, de façon plus générale, dans les régions de Villeroy et Lotbinière par exemples. Quelques

crêtes fossiles atteignent une hauteur très élevée par rapports aux creux (ou interdunes) adjacents, soit

plus de 7 m dans certains cas. Encore une fois, l’orientation des crêtes fossilisées est similaire à celle

des autres dunes de la région (Filion, 1987; David, 1988).

20

La matière organique repose très souvent sur du sable dont la texture (fine, moyenne, grossière) est

variable d’un endroit à l’autre. Ailleurs, la tourbe se trouve directement sur le till. La Figure 7 présente

la localisation des sept coupes correspondant aux Figures 8 à 14. Ces coupes, qui illustrent des tranches

du modèle 3D de la tourbière, illustrent bien la variation de l'épaisseur des dépôts sableux sous les

dépôts organiques de même que les zones de contact tourbe-till.

Figure 7. Localisation des coupes topographiques illustrées aux figures 8 à 14.

Figure 8. Coupe longitudinale (A) de la tourbière

21

Figure 9. Coupe B

Figure 10. Coupe C

Figure 11. Coupe D

22

Figure 12. Coupe E

Figure 13. Coupe F

Figure 14. Coupe G

23

2.1.4 Carte piézométrique

Les niveaux piézométriques dans la tourbière (Figure 15) sont les plus élevés (maximum 129,5 m) dans

la portion ombrotrophe située à l’ouest de la tourbière. Les niveaux piézométriques diminuent

rapidement au nord-est de la tourbière, soit à la jonction du chemin de fer et de l’autoroute 20

(minimum 125,5 m). Ceci concorde avec la dépression topographique visible sur le MNS. L’eau

souterraine s’écoule en partie vers le sud-ouest (cf. flèches sur la Figure 15) en direction du bassin de la

rivière Petite rivière du Chêne, et vers le nord-est en direction du bassin de la rivière du Chêne. Le

gradient hydraulique vers le nord-est est faible de l’ordre de 0,063 %. Les gradients hydrauliques sont

élevés dans certains secteurs de la périphérie de la tourbière, notamment à l’ouest en raison des coteaux

sableux situés en bordure à cet endroit.

Figure 15 : Carte piézométrique de la Grande tourbière de Villeroy

Il est possible que la compaction et le remplissage liés à la construction de l’ancien chemin de fer de la

Petite Ligne influencent l’écoulement au sein des dépôts organiques. Les données mesurées n’ont

24

toutefois pas permis de mettre ceci en évidence. Aucune influence des trottoirs de bois sur l’écoulement

de l’eau dans la tourbe n’a été mise en évidence. Il est cependant peu probable que ceux-ci perturbent

l’écoulement souterrain puisqu’ils ne perturbent pas de manière significative les dépôts organiques.

2.2 Bilan hydrique de la tourbière

Précipitation, évapotranspiration et température

Au cours de l’année 2012, la station de Lemieux a mesuré 943 mm de précipitations. Cette quantité est

inférieure à la moyenne annuelle de 1085 mm enregistrée entre 1971-2000 pour la MRC de Bécancour

où est située la station de Lemieux (Environnement Canada, 2013). Les mois d'avril à novembre 2012

ont reçu 65,1 % des précipitations de l'année (Figure 16). La moyenne des températures mensuelle de

l'année 2012 a été de 3,7oC, ce qui est inférieur à la température moyenne annuelle de période 1971-

2000 (4,1oC). Le mois le plus chaud pendant la période étudiée a été celui d'août (16,1

oC) et le plus

froid celui de novembre (-2,4 o

C). Entre avril et novembre 2012, l'évapotranspiration calculée avec la

formule d'Oudin et al. (2005) est estimée à 504 mm. Ceci représente 95,6 % de l'évapotranspiration

annuelle (526 mm). L’évapotranspiration atteint un maximum en juillet, soit 107 mm, ce qui concorde

avec le maximum annuel de température. Cette forte évapotranspiration est plus du double des

précipitations de juillet qui est de 46 mm.

Figure 16 : Précipitation, évapotranspiration et température d'avril à novembre 2012

25

Débits aux exutoires

Les débits aux exutoires (Figure 17) montrent une variation bimodale entre avril et novembre, à

l'exception de l'exutoire Q1 (situé non loin de l'autoroute 20 dans le bassin de la Petite rivière du

Chêne) où les débits les plus grands ont été mesurés en avril. Les débits importants aux autres exutoires

ont été mesurés au début juin et à la fin octobre. À tous les exutoires, les débits de début août et fin

septembre ont été à peu près nuls. L'exutoire Q1 est celui qui draine les volumes d'eau les plus

importants au printemps et à l'automne. L'exutoire Q2, qui s'écoule vers la rivière du Chêne, a aussi des

débits importants en juin et juillet. Les exutoires 4 et 5 qui drainent la tourbière vers la rivière

Bécancour ont les débits les plus faibles d'avril à novembre.

Figure 17 : Débits mesurés aux sept exutoires

26

Variations de niveaux piézométriques

Le niveau de la nappe est le plus élevé au piézomètre 1 (au milieu du côté nord de la tourbière) et le

plus bas au piézomètre 2 (situé au nord de la tourbière). Le piézomètre 5 a été à sec à quatre reprises

pendant l'été 2012, sans doute en raison de sa faible profondeur (0,5 m). À l'exception du piézomètre 5,

les niveaux les plus élevés ont été mesurés au début juin. De manière générale, les niveaux ont ensuite

baissé jusqu'à la fin septembre, pour remonter ensuite jusqu'à la fin novembre. Les variations moyennes

de niveaux dans les piézomètres situés dans la tourbe d'une mesure à l'autre sont négatives (i.e. les

niveaux baissent) jusqu'à la fin septembre avec une baisse de niveau maximale de 0,10 m entre juin et

juillet. Les changements de niveaux sont variables d’une station à l’autre, mais à l’exception du

piézomètre 4.3 entre juillet et août, ils suivent tous des tendances similaires (il n’a pas été possible

d’expliquer ce comportement particulier de la nappe au piézomètre 4.3). De manière générale, les

variations sont négatives (baisse de la nappe) de juin à septembre avec une baisse moyenne maximale

de 0,10 m entre le début juin et le début juillet. Les variations de niveau sont ensuite positives

(remontée des niveaux) en octobre et novembre, avec une augmentation du niveau maximale de 0,12 m

entre la fin septembre et la fin octobre (Figure 18).

Figure 18 : Variation moyenne de niveaux aux piézomètres dans la tourbe (les barres d’erreurs

représentent les valeurs minimales maximales observées aux cinq stations)

27

Flux d’eau souterraine

La Grande tourbière de Villeroy reçoit beaucoup plus d’eau souterraine des dépôts meubles qu’elle n'en

libère (voir Tableau 2 pour les résultats et Annexe 1 pour les calculs). Six segments fournissent de l'eau

à la tourbière tandis que la tourbière s'écoule vers l'aquifère dans cinq segments, pour un débit total de

6912 m3/j qui entre dans la tourbière. Les segments qui ont un débit positif sont ceux pour lesquels les

gradients hydrauliques (les directions d’écoulement souterrain) sont orientés de l’aquifère sableux vers

la tourbière. À l’inverse, les segments où la tourbière qui ont un débit négatif sont ceux pour lesquels

les gradients hydrauliques sont orientés de la tourbière vers l’aquifère. L’importance du débit échangé

(en valeur absolue) dépend principalement de la longueur du segment et de la valeur du gradient

hydraulique. Les volumes échangés varient probablement pendant l'année et d'une année à l'autre, mais

ceci n'a pu être estimé puisque les calculs sont basés sur la carte piézométrique de juin.

Tableau 2: Sommaire des flux souterrains pour chacun des segments de la tourbière

Segments Q (m3/j)

1 4455

2 2733

3 -875

4 188

5 -105

6 230

7 -24

8 386

9 -29

10 66

11 -113

TOTAL 6912

Bilan hydrique mensuel

La Figure 19 présente la variation temporelle des différentes composantes du bilan hydrique entre juin

et novembre 2012. Les précipitations représentent le principal apport d'eau à la tourbière. Cependant,

les dépôts meubles en périphérie de la tourbière jouent un rôle important dans son alimentation en eau.

Selon les flux calculés, la contribution de l'aquifère superficiel correspond à 26,5 % des précipitations.

Ce volume d'eau est non négligeable dans le bilan hydrique de la tourbière et la proportion est similaire

à celle rapportée pour d'autres tourbières (e.g. Fournier et al., 2007). Cette information est très

importante pour la gestion du territoire autour de la tourbière elle-même et pourrait être utilisée pour

28

délimiter certains secteurs qui doivent être protégés dans le but d'assurer l'alimentation en eau

souterraine de la tourbière et le maintien de la diversité végétale qui s'y trouve.

Figure 19 : Bilan hydrique de la Grande tourbière de Villeroy entre juin et novembre 2012

Le principal flux sortant de la tourbière est l'évapotranspiration (82 % des précipitations). Les débits

aux exutoires représentent 50,4 % des précipitations, ce qui en fait un flux sortant important,

notamment aux exutoires Q1 et Q2. Ces débits contribuent à l'alimentation en eau des bassins versants

de la Petite rivière du Chêne et de la rivière du Chêne. Ils apportent un volume d'eau important aux

cours d'eau au printemps et à l'automne. Leur contribution en période d'étiage est toutefois très limitée.

Ces exutoires doivent être surveillés afin de limiter une augmentation du drainage au sein de la

tourbière. Une augmentation de l'évacuation de l'eau emmagasinée dans la tourbière pourrait avoir un

impact sur sa diversité végétale et sur les taux d'accumulation de la matière organique.

Le terme résultant du bilan hydrique est considéré égal à la variation de l'emmagasinement. Celle-ci est

à peu près nulle en avril et redevient pratiquement nulle en novembre. Les variations

d'emmagasinement dans la tourbière auraient donc principalement lieu pendant la période hors gel. Les

calculs indiquent un niveau à la baisse d'avril à juillet, suivi d'une remontée d'août à novembre. Cette

dynamique est similaire à celle découlant des variations de niveaux mesurées aux piézomètres

(Figure 18), mais la remontée des niveaux résultant du calcul de bilan hydrique est devancée de deux

29

mois comparativement aux mesures. Il est important de souligner ici que le terme S du bilan hydrique

intègre à la fois les erreurs réalisées sur les différentes composantes du bilan hydrique et la variation

réelle de l'emmagasinement, ce qui pourrait expliquer la différence observée ici avec les données de

terrain. L'équation suivante peut être utilisée pour transformer le terme S en variation du niveau de la

nappe dans la tourbe:

S = h x ne Équation (2)

où

h = variation du niveau de nappe entre deux mesures (m)

ne = porosité effective de la tourbe (m3/m

3)

En utilisant une porosité effective de la tourbe de 40 %, l'amplitude moyenne des variations de niveaux

mesurés (-0,10 à 0,12 m) est similaire à celle résultant du calcul de bilan hydrique (-0,14 à 0,12 m).

2.3 Dates basales de la matière organique

L’âge 14

C basal du début de l’accumulation de la matière organique a été obtenu en 25 points

d’échantillonnage (Tableau 3). Comme il ne fut pas possible de récolter le contact organo-minéral pour

six d’entre-eux (Vbase 8, Vbase 10, Vbase 11, Vbase 16, Vbase 18 et Vbase 19; voir la section des

méthodes), la date obtenue en ces points d’échantillonnage représente un âge minimal pour le début de

l’accumulation de la matière organique.

La distribution temporelle des 25 dates basales est illustrée à la Figure 20. La période entre 11 000 et

10 000 ans A.A. est celle où le nombre de dates est le plus élevé (13). Ainsi, 52 % des datations basales

issues des carottes de tourbe dont l'épaisseur varie entre 225 et 436 cm selon les cas sont issues de cette

période. Elles proviennent de points d’échantillonnage situés en majorité au sein des deux importantes

dépressions du substrat minéral ou en bordure de celles-ci. Les dates les plus anciennes sont de 10 670

ans A.A. (Vbase 9, 330 cm), 10 640 ans A.A. (Vbase 7, 342 cm), 10 610 ans A.A. (Vbase 8, 269 cm) et

10 600 ans A.A. (Vbase 11, 310 cm). Compte tenu du fait que le contact organo-minéral n’a pu être

récolté pour les points Vbase 8 et Vbase 11, l’âge réel de l’amorce de l’entourbement à ces deux

30

endroits pourrait se situer entre 11 000 et 10 600 ans A.A. Dans le cas du point d’échantillonnage

Vbase 9, un âge de 10 770 ans A.A. a aussi été obtenu à partir d’un fragment ligneux de la même

carotte, mais à une moins grande profondeur (305 cm) que celle de la tourbe basale (330 cm). On

remarque toutefois que ce point d’échantillonnage se trouve à proximité de la bordure de la dépression

principale; ce fragment ligneux est nécessairement issu d’une végétation ligneuse (arbre ou arbuste) qui

était présente à l’époque aux altitudes plus élevées en bordure de la dépression. Dans le cas d’autres

points d’échantillonnage (Vbase 4, Vbase 16, Vmono), des macrorestes végétaux datés à la même

profondeur que la matière organique en vrac ont livré des âges de quelques décennies à quelques

siècles plus vieux que ceux de la matière organique.

Sept autres dates basales (28 %) se situent dans la période entre 10 000 et 7000 ans A.A. Cinq d’entre

elles (Vbase 1, Vbase 12, Vbase 13, Vbase 19, Vbase 21) proviennent de points d’échantillonnage

situés plus près de l’actuelle bordure de la tourbière et/ou sur les flancs d’anciennes dunes.

Une seule date basale a été obtenue pour la période s’échelonnant entre 7000 et 4000 ans A.A., soit

celle de 5970 ans A.A. au point Vbase 20. Toutefois, cette date réalisée à partir de matière organique en

vrac semble trop vieille considérant la faible épaisseur de tourbe (70 cm) accumulée à cet endroit de la

tourbière et en fonction de la composition des assemblages macrofossiles de la carotte (voir plus bas)

qui suggère une végétation forestière plutôt que tourbicole. La date de 1430 ans A.A. obtenue à partir

d’un charbon de bois à la profondeur 61 cm de la même carotte, soit au niveau où le contenu en matière

organique augmente significativement, pourrait refléter l’époque de l’amorce de l’accumulation de la

tourbe à cet endroit. De plus, cette interprétation semble être corroborée par d'autres dates 14

C

relativement jeunes (1220 ans A.A. à Vbase 10; 1230 ans A.A. à Vbase 15) qui suggèrent qu’une phase

de paludification récente ait eu lieu en périphérie de la tourbière. La date de 9540 ans A.A. au point

Vmono semble aussi anormalement vieille pour l'épaisseur de tourbe correspondante (83 cm) et, tout

comme pour Vbase 20, cette date pourrait témoigner davantage d'un épisode forestier ayant précédé

l’entourbement.

31

Tableau 3. Datations radiochronologiques des carottes sédimentaires

Carotte et profondeur (cm)

Numéros de laboratoire Matériel daté Âge 14

C Années A.A.

Âge Années étalonnées

Vbase 1 - 250 UGAMS-12458, ULA-3612 Tourbe 6980 ± 25 7800

Vbase 2 - 434 UGAMS-12456, ULA-3610 Tourbe 8870 ± 30 10 030

Vbase 3 - 283 UCIAMS-123805, ULA-4057 Plantes herbacées 9230 ± 40 10 390



Vbase 4 - 225 UCIAMS-123791, ULA-4043 Mousses brunes 9215 ± 35 10 350





Vbase 9 - 305 UCIAMS-123792, ULA-4044 Fragment ligneux 9510 ± 40 10 770





Vbase 13 - 202 UCIAMS-123795, ULA-4046 Mousses brunes 8355 ± 40 9380


Vbase 13 - 225 UCIAMS-120631, ULA-3863 Tourbe 8905 ± 30 10 000

Vbase 14 - 183 UCIAMS-120632, ULA-3864 Tourbe 2970 ± 20 3150

Vbase 15 - 118 UCIAMS-123803, ULA-4046 Fragment ligneux 980 ± 30 835


Vbase 16 - 260 UCIAMS-123789, ULA-4041 Aiguilles Picea 9280 ± 35 10 470

Vbase 16 - 261 UCIAMS-120634, ULA-3866 Tourbe 9255 ± 35 10 400

Vbase 17 - 275 UCIAMS-123804, ULA-4056 Plante herbacée 9205 ± 40 10 350


Vbase 18 - 119 UCIAMS-123793, ULA-4045 Charbon 3495 ± 35 3780



Vbase 20 - 61 UCIAMS-123790, ULA-4042 Charbon 1525 ± 35 1430



Vmono - 82 UCIAMS-123796, ULA-4048 Charbon 9125 ± 35 10 260

Vmono - 83 UCIAMS-120640, ULA-3871 Tourbe 8585 ± 30 9540

VR1 - 436 UCIAMS-90860, ULA-2266 Tourbe 9045 ± 25 10 220

VR2 - 238 UCIAMS-117203, ULA-3672 Tourbe 7945 ± 20 8750

VR3 - 240 UCIAMS-117212, ULA-3681 Tourbe 8430 ± 25 9470

VR3 - 240 UCIAMS-123794, ULA-4046 Charbon 8115 ± 35 9060

32

La période entre 4000 ans A.A. et l’actuel, plus particulièrement les 2000 dernières années, est

marquée par une reprise de l’entourbement et d'une extension spatiale plus récente de la tourbière en

périphérie. Les points d’échantillonnage correspondant à cette reprise sont Vbase 10, Vbase 14, Vbase

15, Vbase 18 et Vbase 20. La date de 3150 ans A.A. à Vbase 14 semble toutefois plutôt jeune pour

l'épaisseur de tourbe (180 cm) et pourrait être inexacte. L’époque de l’Holocène supérieur semblent

donc avoir présenté des conditions propices à l’entourbement comme le démontrent aussi les taux

d’accumulation verticaux de la tourbe très élevés obtenus pour les carottes VR-1, VR-2 et VR-3

(Lavoie et Colpron-Tremblay, 2013).

Figure 20. Distribution temporelle des dates basales (en considérant l'amorce de l'accumulation à

Vbase 20 à 1430 ans A.A.)

33

2.4 Analyses macrofossiles des carottes basales

Les diagrammes macrofossiles des 22 carottes basales sont présentés à l’Annexe 2. Les résultats des

analyses macrofossiles des points d’échantillonnage VR-1, VR-2 et VR-3 sont, pour leur part, présentés

dans Lavoie et Colpron-Tremblay (2013). Les diagrammes macrofossiles livrent un aperçu des

différentes régimes trophiques et de la composition du cortège floristique ayant prévalu avant et/ou au

début de la formation de la tourbière aux points d’échantillonnage. Trois principaux régimes trophiques

ont été identifiés: 1) régime semi-lacustre/étang caractérisé par la présence de plantes hygrophiles, 2)

régime minérotrophe caractérisé par des plantes herbacées et/ou des mousses brunes, et 3) régime

forestier ayant précédé l’amorce de l’entourbement.

Environnement semi-lacustre

Onze points d’échantillonnage (Vbase 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 12, 13, 17 et VR1) témoignent de la présence

d'un plan d'eau, sans doute sous la forme d’étangs peu profonds, avant et/ou pendant la formation de la

tourbière. Ces étangs se sont formés dans la dépression principale ayant la forme d’un chenal ou dans

certaines interdunes. Une estimation de la superficie qu’ils occupaient est présentée à la Figure 21.

Dans les assemblages macrofossiles, on note, entre autres, la présence d’espèces telles que Najas

flexilis, Potamogeton sp., Hippuris vulgaris, Ranunculus aquatilis et Nymphaceae sp. L'algue verte

Chara sp. était aussi présente en compagnie de crustacés (Daphnia sp.) et de bryozoaires (Cristatella

mucedo). Curieusement, le point Vbase 11 dans la seconde dépression de grande ampleur ne présente

pas d’indice d’étang. Bien qu'aucune gyttja n'a été trouvée au contact organo-minéral, le contenu en

matière minérale (surtout du sable très fin) est important à la base des carottes, probablement en raison

des apports de matière minérale par les eaux de ruissellement en provenance des anciennes dunes. La

matrice organique se compose, selon les points d’échantillonnage, de plantes herbacées (en majorité

des racines et rhizomes), de fragments ligneux ou d'un mélange des deux.

34

Figure 21. Modèle spatio-temporel du développement de la tourbière par traçage de polygones

Transition étang – tourbière minérotrophe

Chacune des carottes témoignant de la présence initiale d'un étang montre aussi une transition vers des

conditions de tourbière minérotrophe. Ce changement est marqué dans tous les cas par la disparition

des espèces hygophiles et une diminution marquée du contenu en matière minérale. Les assemblages

macrofossiles montrent, pour la plupart, la présence de plantes herbacées telles que des cypéracées ou

des mousses brunes. À la carotte VR-1, cette transition a été à 9330 ans A.A. (Lavoie et Colpron-

Tremblay, 2013). Nous avons aussi tenté de dater cette transition à l'aide de macrorestes de plantes

terricoles aux points Vbase 3, Vbase 9, Vbase 13 et Vbase 17. À Vbase 3, la transition a été datée à

10 390 ans A.A. (283 cm de profondeur) à partir d'un collet de plante herbacée alors que la datation à

partir de 1 cm3 de matière organique à 300 cm de profondeur a livré un âge de 9620 ans A.A. Cette

inversion a pu être provoquée par la contamination de la base par des racines et radicelles plus jeunes

35

ou encore par une perturbation des sédiments à la base du dépôt. En effet, le point Vbase 3 se situe en

bordure d'une crête dunaire et de l’érosion en provenance de celle-ci a peut-être eu lieu. Un phénomène

similaire pourrait aussi s’appliquer au point Vbase 17 où la transition est datée à 10 350 ans A.A.

(275 cm) et la base à 9800 ans A.A. (288 cm). Au point Vbase 9, la datation 14

C de la transition

(305 cm) a livré un âge de 10 770 ans A.A. qui est similaire à celui de la base (10 610 ans A.A.) qui se

trouve 25 cm plus bas. Dans ce cas-ci, la transition a été datée à partir d'un fragment ligneux qui

pouvait provenir d’un arbre ou d’un arbuste situé en périphérie. Enfin, la transition au point Vbase 13,

datée à partir de de mousses brunes, a donné un âge de 9380 ans A.A., ce qui correspond à la même

période que la carotte VR1 située à plus de 2 km de distance. Il est donc prudent de supposer que les

plans d'eau initiaux (ou étangs) ont pu se maintenir selon les endroits de 10 700 à 9300 ans A.A. pour

ensuite laisser place à la formation d'une tourbière minérotrophe, à l'exception du point Vbase 12 où les

conditions d’étang ont perduré plus longtemps, jusque vers 8260 ans A.A.

Quelques hypothèses peuvent être proposées pour expliquer la disparition (comblement ou

terrestrialisation) de ces plans d'eau :

dans un premier temps, il est possible qu’ils se soient simplement comblés de matière organique en

raison d'une forte productivité végétale;

le processus de comblement pourrait être aussi le résultat d'une diminution du niveau d’eau causé en

raison du climat plus sec de l’Holocène inférieur;

enfin, le relèvement isostatique peut aussi avoir joué un rôle.

Dans le cas de la Grande tourbière de Villeroy, le comblement des étangs résulte probablement d’une

combinaison de ces trois facteurs. Ces étangs furent certainement associés à la Mer de Champlain, la

dépression topographique en forme de chenal pouvant représenter un petit exutoire de la mer.

D'ailleurs, les plantes aquatiques identifiées à la base des carottes présentent toutes une certaine

tolérance à la salinité.

Tourbière minérotrophe

La présence de macrorestes typiques des tourbières minérotrophes (e.g., cyperacées, mousses brunes,

Menyantes trifoliata) ont été trouvés à la base de plusieurs carottes (Vbase 8, 11, 16, 19). Ceux-ci

36

témoignent de conditions locales très humides, d'une nappe d'eau près de la surface de la tourbe et

d’apports d’éléments minéraux via les eaux de ruissellement. Les points d’échantillonnage où ce type

d’environnement a été trouvé sont tous très vieux, les datations 14

C basales variant entre 10 610

(Vbase 8) et 9580 ans A.A. (Vbase 19). Ce type de végétation a ainsi côtoyé la végétation aquatique et

semi-aquatique pour ensuite la remplacer.

Végétation forestière

Pour l’ensemble des 25 points d’échantillonnage, il n’y a aucun assemblage macrofossile qui témoigne

hors de tout doute de la présence d'une végétation purement forestière qui aurait pu précéder l’amorce

de l’entourbement aux endroits où les carottes furent prélevées, contrairement par exemple à la

tourbière de la Grande-plée-Bleue où une sapinière à bouleau blanc était initialement présente (Lavoie

et Robert, 2009). Par contre, certains points (Vbase 1, 10, 14, 15, 18, 20, 21 et Vmono) pourraient

indiquer la présence d'anciennes forêts plus ou moins denses situées en milieu hydrique ou mésique. En

effet, quelques assemblages macrofossiles (e.g. Vbase 15) comportent des restes traduisant la présence

locale d’arbres comme le mélèze et l'épinette (espèces croissant sur les tourbières), d'aulne et/ou de

bouleau. On note aussi qu'à certains endroits (Vbase 1, 10, 20, 21, Vmono), la matière organique est

fortement décomposée et les macrorestes pratiquement absents, ce qui pourrait témoigner d'un ancien

épisode forestier où la décomposition de la matière organique était très importante en raison des

conditions oxygénées des humus forestiers. Dans l'hypothèse que la base de ces carottes représente une

phase forestière, l'accumulation organique qui est ensuite survenue témoigne de l’entourbement

(paludification) du site. D'après les datations obtenues sur ces carottes, deux périodes ont été propices à

la paludification, soit vers 7800 ans A.A. (Vbase 1 et 20) et entre 3200 et 1200 ans A.A. (Vbase 10, 14,

15, 18, 20). Le cas du point Vmono est particulier car il se situe dans un secteur peu profond et peu

connecté à la tourbière. La date basale de 9540 ans A.A. à cet endroit témoigne probablement d'une

phase forestière durant laquelle la végétation colonisait le substrat sableux des dunes. L'entourbement

est survenu 15 à 20 cm plus haut dans la carotte, mais ce niveau n'a pas été daté.

37

Forêts périphériques et perturbations par le feu

Dans plusieurs assemblages macrofossiles, notamment ceux témoignant d'un étang initial, des restes de

plantes terricoles témoignent de la présence d’une végétation ligneuse en périphérie. On note, entre

autres, le mélèze, l'épinette (dont une aiguille d'épinette blanche identifiée au point Vbase 16), le

bouleau et le thuya. Cette dernière espèce a été trouvée aux points Vbase 6, 7 et 9 parmi les restes de

plantes aquatiques. Ces mêmes assemblages sont parfois marqués par la présence d'une quantité

importante de restes très décomposés de feuilles de plantes vasculaires comme des éricacées et/ou des

bétulacées.

Une autre caractéristique importante des assemblages macrofossiles est la quantité importante de

charbons de bois. Ces derniers sont toutefois plus abondants dans la période de l’Holocène inférieure

antérieure à 9000 ans A.A., une période réputée plus sèche et pendant laquelle les feux étaient

fréquents (e.g., Carcaillet et Richard, 2000; Talon et al., 2005) Quatre charbons ont été datés (Tableau

3). Parmi ceux-ci, deux ont livré des âges de 10 260 ans A.A. (Vmono) et 9060 ans A.A. (VR-3). Il est

ainsi possible que les feux aient contribué au développement de la tourbière pendant l'Holocène

inférieur via le processus de paludification. Le rôle du feu dans la paludification n’a encore été que très

peu examiné dans la littérature scientifique et mérite certainement des travaux supplémentaires.

38

2.5 Modèle d'évolution spatiale de la tourbière dans le temps

Modèle spatio-temporel par traçage de polygones

Une estimation de la superficie qu'occupait la tourbière par période temporelle a été réalisée en

fonction de la répartition des dates 14

C basales et de la topographie du substrat minéral (Figure 21 et

Tableau 4). En raison de l'absence de dates dans certains secteurs, une grande partie de la tourbière n'a

pu être incluse dans cette estimation. La surface qui a été estimée représente environ 40 % de la surface

totale de la tourbière (419 ha).

Selon ce modèle, plus de 25 % de la surface estimée (107,9 ha) s’est initialement formée il y a plus de

10 000 ans. La période entre 8000 et 7000 ans A.A. témoignerait d'une extension spatiale importante de

la tourbière durant laquelle 33,5 % de la superficie estimée actuelle du dépôt organique se serait

formée. Ainsi, 94 % de la superficie estimée de la tourbière était déjà formée il y a 7000 ans. Le

développement spatial récent de la tourbière (depuis 2000 ans A.A.) représente 6 % de la superficie

estimée. Ces estimations constituent un portrait prudent du développement spatio-temporel de la

tourbière. Il pourrait s'avérer que le développement récent de la tourbière soit en réalité plus important

si la totalité de la superficie de la tourbière avait été incluse dans ce modèle car d'importants secteurs où

l'épaisseur de tourbe est mince (< 100 cm) et qui sont sans doute jeunes ne sont pas pris en compte dans

l'estimation.

Tableau 4. Estimation de l’entourbement initial de la tourbière (superficies et pourcentages) par

période temporelle (excluant la superficie non estimée).

Périodes temporelles Superficies (ha) Pourcentages

10 000 à 10 700 ans A.A. 107,9 25,7

9000 à 10 000 ans A.A. 72,1 17,2

8000 à 9000 ans A.A. 74,2 17,7

7000 à 8000 ans A.A. 140,3 33,5

1000 à 2000 ans A.A. 24,8 5,9

Total 419,3 100

39

Modèle spatio-temporel par régression

Un autre modèle a été produit dans le but de calculer, par une régression, un âge à chaque pixel du

modèle des profondeurs interpolées. En premier lieu, le coefficient de corrélation a été calculé entre les

variables âge-profondeur et âge-altitude estimées. La relation âge-profondeur s'est révélée plus forte

(0,68) que celle âge-altitude (-0,17). Afin que la relation soit plus significative (0,75), deux données

incongrues (dates basales des points Vbase 14 et Vmono1, voir plus haut) ont été enlevées. Une

régression (B-Spline linéaire) a ensuite été appliquée à partir de la relation entre les bases datées et la

couche raster de l'épaisseur de tourbe à l'aide du logiciel Saga Gis. Ainsi, un âge a été attribué à chaque

profondeur.

Les résultats sont présentés à la Figure 22 et au Tableau 5. Une date variant de 13 670 à 2490 ans A.A.

a été attribuée à chaque cellule. Ce modèle montre un développement plutôt linéaire de la tourbière où

24 % du dépôt aurait commencé à se former il y a moins de 3000 ans. Uniquement 4,5 % aurait été

formé il y a plus de 10 000 ans. Notons que les dates au-delà de 10 700 ans ont été attribuées aux

endroits les plus profonds de la tourbière mais elles ne sont pas plausibles et sont associées à la classe

de 10 000 ans A.A. et plus. Bien que nous n'avons pas de dates 14

C témoignant de la formation de la

tourbière entre 7000 et 4000 ans A.A., ce modèle attribue la formation de plus de 38 % de la superficie

à cette tranche d'âge. Ces dates sont toutefois associées aux pentes créées par l'effet de bassin des

dépressions qui couvrent une importante superficie au sein du modèle des épaisseurs interpolées. La

principale critique de cette estimation par régression vient du fait que la relation entre l'âge et la

profondeur ne reflète pas nécessairement la réalité observée. Ce modèle doit donc être considéré avec

prudence. Il a toutefois l'avantage d'estimer l'âge de secteurs où nous n'avons pas de datations. Il appuie

également l'hypothèse qu'une partie importante de la tourbière s'est formée il y a moins de 3000 ans.

40

Figure 22. Modèle spatio-temporel du développement de la tourbière par régression (relation

âge-profondeur)

41

Tableau 5. Développement de la tourbière (pourcentages) par période temporelle obtenu par

régression (relation âge-profondeur)

Période temporelle Pourcentage

10 000 ans A.A. et plus 4,5

9000 à 10 000 4,2

8000 à 9000 7,4

7000 à 8000 9,6

6000 à 7000 13,7

5000 à 6000 13,0

4000 à 5000 11,6

3000 à 4000 12,3

3000 et moins 23,7

42

3 CONCLUSION

Le bilan hydrique de la tourbière montre que celle-ci reçoit un apport significatif d'eau souterraine des

dépôts meubles voisins dans certains secteurs. Certains cours d'eau contribuent également

significativement à drainer la tourbière. Ces informations sont cruciales pour identifier les secteurs à

protéger autour de la tourbière, dans une vision à long terme pour la préservation de la diversité

végétale et des taux d'accumulation de la matière organique.

Les résultats du volet paléoécologie montrent le rôle important de la topographie du substrat minéral

dans le cadre de l’initiation et du développement spatial de la tourbière. La phase de développement

récent (Holocène supérieur) suggère que le processus de paludification peut se poursuivre tant et aussi

longtemps qu’il n’y a pas de barrières topographiques pour freiner cette expansion. On observe

d’ailleurs aujourd’hui, en contexte forestier en périphérie de la tourbière (secteur du trottoir menant à la

tourbière), une accumulation de tourbe relativement épaisse dans les interdunes. Ceci signifie que la

paludification est actuellement active et que la tourbière pourrait éventuellement s’étendre au-delà de

ses limites actuelles. Une éventuelle croissance à long terme de la tourbière pourrait donc être un

facteur à prendre en considération dans le cadre des mesures de conservation et des limites de la future

réserve écologique.

Les nouvelles données acquises dans ce projet seront utiles au MDDEFP dans le contexte du futur

développement d'une réserve écologique à la Grande tourbière de Villeroy. Des travaux similaires

pourraient être entrepris dans d'autres sites considérés pour la mise en place d'une réserve écologique.

Ce type de caractérisation serait également utile dans des réserves écologiques existantes, dans le but

d'identifier les pressions hydrologiques environnantes qui pourraient modifier le rythme d'accumulation

des dépôts organiques.

43

4 RÉFÉRENCES

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46

ANNEXE 1 - CALCUL DES ÉCHANGES AQUIFÈRE-TOURBIÈRE

Pour quantifier les échanges d’eau entre la tourbière et les aquifères minérales autour de la Grande

tourbière de Villeroy, la méthode de Rosenberry et al. (2008) semblait la plus adéquate en raison de sa

simplicité et sa rapidité d’exécution. Cette méthode est une application directe de l’équation de Darcy

pour mesurer les débits souterrains dans un milieu naturel. La loi de Darcy stipule que le débit

souterrain est proportionnel au gradient hydraulique et à la perméabilité, laquelle est la capacité du sol

à laisser écouler l’eau :

Équation (3)

où

Q= débit sortant ou entrant (m3/j)

K=Conductivité hydraulique horizontale (m/j)

A= Aire au rivage du plan d’échange des eaux (m2)

h1=charge hydraulique éloignée de la tourbière (m)

h2= charge hydraulique en bordure de la tourbière (m)

L = Distance séparant le puits et la masse d’eau de surface (m)

Initialement, cette méthode a été développée pour connaitre les interactions entre un plan d’eau de

surface et les aquifères en périphérie de ce plan d’eau. La méthode consiste à segmenter le bord de la

tourbière en plusieurs corridors, pour lesquels on assume qu’une valeur de perméabilité et un gradient

hydraulique sont applicables à l’entièreté du segment (Figure 23). La méthode est basée sur l'hypothèse

d'échanges latéraux seulement.

47

Figure 23: Schéma pour le calcul des flux souterrains (tirée de Rosenberry et al., 2008)

La longueur du segment le long du plan d’eau et l’épaisseur effective de l’échange en eau (b)

permettent de déterminer l’aire du plan vertical au bord de la tourbière dans laquelle prennent place les

échanges d’eau souterraine. Les segments ont été définis à l’aide du logiciel ArcGIS. Chaque segment

a été défini de manière à isoler une zone de même gradient hydraulique telle que visible sur la carte

piézométrique (Figure 15). La méthode de Rosenberry et al. (2008) assume que la direction

d’écoulement est perpendiculaire au bord de la tourbière. À l’aide de la carte piézométrique, la bordure

de la tourbière a donc été divisée en 11 segments de même gradient hydraulique (Figure 24).

48

Figure 24: Traçage des segments pour le calcul des flux souterrains

Les niveaux d’eau ont été mesurés directement dans les piézomètres d’un segment et ce, dans un

intervalle de temps suffisamment court pour qu’il n’y ait pas de variation temporelle du gradient

hydraulique. Le petit nombre de piézomètres installés ne permet pas une bonne définition des

interactions entre la tourbe et l'aquifère voisin. De ce fait, les isopièzes ont été utilisés pour mesurer des

gradients hydrauliques pour les segments n’ayant pas été instrumentés.

Dans un milieu poreux stratifié, si la perméabilité d'une couche est nettement plus élevée que celle des

couches adjacentes, l'écoulement de l'eau souterraine se produit entièrement dans la couche de grande

perméabilité. Ainsi, la majorité des écoulements à l’intérieur d’une tourbière prendra place dans

l’acrotelme et l’écoulement dans le catotelme est négligé dans le calcul des échanges souterrains.

L’épaisseur de l'acrotelme est donc l’épaisseur (b) à considérer dans le calcul des flux souterrains. Il est

49

considéré ici égal aux premiers 50 cm de dépôts organiques. Diverses mesures en laboratoires ont

permises de mieux définir la perméabilité de l’acrotelme : 0,1 à 10 cm/s (Rosa et Larocque, 2008) et

10-3

à 10-1

cm/s (Fournier et al., 2007). Une valeur moyenne de 1cm/s a été utilisée ici.

La conductivité hydraulique de l'aquifère a été déterminée à l'aide des données rapportées dans

Larocque et al. (2013), en fonction des dépôts meubles observés dans chacune des sections de la

périphérie de la tourbière. La moyenne géométrique des conductivités hydrauliques de la tourbe et des

dépôts meubles est utilisée pour le calcul des flux dans chaque section. La somme des écoulements

entrants ou sortants permet de quantifier les échanges d’eau entre la tourbière et l'aquifère.

50

ANNEXE 2 – DIAGRAMMES MACROFOSSILES DES BASES DE TOURBE

Figure 25. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase1


51



52




53



54



55



Figure 38. Diagramme macrofossile de la base de tourbe pour l’échantillon Vbase14

56



57



58



59


60

Figure 46. Diagramme macrofossiles de la base de tourbe pour l’échantillon Vmono

développement spatial de grande tourbière de villeroy

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